3231

10

кса, описывающей двумерные стационарные турбулентные течения химически реагирующего газа, в предположении, что в плоскости выходного сечения сопла набегающий поток воздуха является невозмущенным, кромка сопла является острой и отрывные зоны отсутствуют. Результаты расчета сравниваются с расчетом продуктов сгорания без учета догорания. Сравнение показывает увеличение окислов азота в ближнем следе струи. В разделе приводятся данные о количестве озона, разрушаемого соединениями азота и хлора, содержащимися в продуктах сгорания ракет-носителей Энергия, Протон, Спейс-Шаттл.

Проведен анализ данных имеющихся в различных источниках, о составе и количественном соотношении компонентов продуктов сгорания. Такой анализ результатов математического моделирования перечисленных процессов показал существенные различия данных, приводимых в различных работах, о составе продуктов сгорания, количественных соотношениях их компонентов и степени воздействия на озоновый слой Земли. Такие различия могут возникать по ряду при- чин.

Неточные данные о химическом составе ракетных топлив или их компонентов. Небольшие включения в составе топлива могут вызывать появление в продуктах сгорания озоноразрушающих компонентов. Например, в техническом жидком кислороде может содержаться до 0,5% по объему азота, учет которого при термодинамическом расчете продуктов сгорания для неравновесного течения в сопле дает наличие озоноактивных окислов азота. Аналогично обстоят дела и с твердыми ракетными топливами.

Неточность знаний или отсутствие данных о константах скоростей химических реакций, например, для хлорных реакций, неопределенность констант скорости химических реакций может составлять 1 - 2 порядка. Значения констант скорости реакций с участием соединений алюминия или какая-либо информация по реакциям образования конденсированной окиси алюминия вообще отсутствуют.

Коэффициент избытка окислителя (а) является определяющим параметром для расчета компонентов продуктов сгорания жидких ракетных топлив (коэффициент избытка - это отношение фактического расхода окислителя к стехиометрическому расходу).

Зависимость равновесного состава продуктов сгорания от а имеет сложный характер, специфичный для определенных классов топлив.

Реальные величины а в процессе движения ракеты-носителя по траектории отличаются от первоначально принятой величины.

Наличие алюминия в составе твердых ракетных топлив обуславливает образования конденсированной фазы - полидисперсной взвеси частиц окислов алюминия в продуктах сгорания.

Течения двухфазных потоков в проточных трактах двигателей характеризуются скоростной и температурной неравновесностью, расчет параметров которых в настоящее время связан с непреодолимыми трудностями из-за неопределенности знаний о функции распределения частиц по размерам и физико-химических процессов, протекающих в химически активной и неравновесной среде. В связи с указанными трудностями при расчетах допускают, что движение двухфазной смеси происходит без скоростного и температурного запаздывания, а сама конденсиро-

11

ванная фаза полагается монодисперсной окисью алюминия (Аl2Оз), с размером в десятые доли мкм. Показано, что такой подход может привести к завышению скорости гетерогенного разрушения озона в десятки раз.

Расчет течения в сопле как одномерном, так и в двумерном приближении, проводится в предположении о начале пограничного слоя в точке торможения в дозвуковой части сопла и заканчивается по достижении заданной степени расширения трубки тока. Это может быть справедливым для осесимметричного сопла Лаваля; что касается поворотных утопленных сопел, сопел с карданным подвесом и других типов сопел, использующих различные способы регулирования вектора тяги (вдув в закритическую часть сопла и т.п.), такой подход может привести к существенным погрешностям. Часто расчет течения в сопле начинается от критического сечения сопла, параметры в котором определяются их предварительного расчета неравновесного течения в дозвуковой части в одномерном приближении. В таком расчете не учитывается степень турбулентности набегающего потока, неравномерность распределения параметров газа на входе в сопло и другие физико-химические процессы, которые, в конечном счете, определяют параметры потока в выходном сечении сопла. Показано, что неадекватность математических моделей реальным процессам может, в зависимости от принятых допущений, привести к отклонениям в составе продуктов сгорания на порядок.

На основе проведенного анализа сделано заключение о необходимости проведения физического моделирования разрушения озонового слоя Земли при эксплуатации ракетно-космической техники.

В третьей главе «Методики измерений и аппаратура экспериментального исследования» рассматриваются вопросы комплексного подхода к измерениям при физическом моделировании процессов взаимодействия выхлопной струи ракетного двигателя с озоновым слоем Земли. Под комплексным подходом понимается одновременное получение сведений об объекте по нескольким каналам информации. На рис. 4 приведена схема модели каналов информации, где определены параметры, которые необходимо измерять при физическом моделировании.

Показано, что из всех параметров, которые необходимо измерять в процессе проведения измерений, проблему составляют измерение низких давлений в высокоскоростных газовых потоках, измерение температуры высокоскоростных газовых потоков и измерение низких концентраций озона.

Проведен анализ возможных методов измерения температуры, проведена их классификация, разработан датчик позволяющий измерять спектральный состав излучения струи продуктов сгорания, цветовую и трехцветную температуры. На рис. 5 приведена классификационная диаграмма методов измерения температуры, а на рис. 6 схема разработанного измерителя.

Проведен анализ методов измерения давления, разработана их классификация, которая приведена на рис. 7.

Установлено, что для построения датчика давления в струях газопламенных сред может быть использован коронный электрический разряд.

Проведено детальное исследование параметров коронного разряда.

12

Модель каналов информации

Источник

возмущения

М.Т.Р. - метод теплового расширения

Рис. 5.

13

Измеритель ПД-ФД-2

I - оптико-электронный преобразователь: 1 - волоконно-оптический светоделитель; 2 - интерференционные светофильтры; 3 - фотодиоды; 4 - многоканальный усилитель; II — формирователь выходных сигналов; III- осветитель

Рис. 6.

В результате аппроксимации экспериментальных данных полиномом второй степени получены зависимости напряжения зажигания коронного разряда от

Формулы справедливы в диапазоне давлений 2.103 - 1,4.105 Па и для Iк = 5.10-6 А при dK = 0,05 мм.

На рис. 8 приведены графики зависимости напряжения зажигания короны от давления.

Для исследовательских целей были разработаны датчики давления, основанные на коронном электрическом разряде, эскизы которых приведены на рис. 9.

Проведен анализ возможных методов измерения концентрации озона, их классификация и разработан измеритель, диаграмма и общий вид которых приведены на рис. 10 и 11 соответственно.

16

Классификационная диаграмма методов анализа Оз

Рис. 10.

Схема измерителя концентрации озона

1 - осветитель; 2 - измеритель; 3 - эталонная полость; 4 - электроннооптический преобразователь; регистрирующее устройство; 6 - электроневмоклапан; 7 - блок питания

Рис. 11.

17

Приводится структурная схема измерительного комплекса, схема которого приведена на рис. 12.

Разработана методика проведения экспериментального исследования и дается подробное ее описание.

В четвертой главе «Физическое моделирование процессов взаимодействия выхлопных струй ракетных двигателей с озоновым слоем Земли» дается описание огневого измерительного комплекса. Рассмотрен вопрос о возможности построения озонаторов различной производительности для чего проведен анализ и дана классификация возможных методов генерации озона, схема которой приведена на рис. 13. Показана возможность использования коронного разряда для построения озоногенераторов. Впервые проведено исследование и показана возможность использования углеродных ворсовых структур, используемых в качестве перспективных теплозащитных материалов, для генерации озона при подаче на них любого вида напряжений. Наиболее эффективной является импульсная корона с частотой 1016 кГц.

В главе приводятся характеристики, схемы и общие виды разработанных озонаторов, а также классификационная таблица существующих генераторов озона.

Описан порядок проведения и обобщения результатов экспериментального исследования.

Проведено математическое моделирование распределения концентрации озона по высоте атмосферы, полученного в результате аппроксимации данных, имеющихся в различных источниках, в среде Mathcad Pro

C(O3) = ехр(27,993 - 0,311h + 0,038h2 -

-1,395• 10-3 •h3 +1,995• 10-5 •h4 -9,57• 10-8 •h5,

где С(Оз) — концентрация озона, молек/см3; h - высота в атмосфере от поверхности Земли, км.

Графически эта зависимость представлена на рис. 14.

Проведено численное интегрирование уравнения 3 с переменной верхней границей от нижней границы равной нулю. Получено следующее выражение

Физически выражение (4) означает количество частиц приходящихся на отрезок высоты от О до H на единичную площадку. Графически эта зависимость приведена на рис. 15.

Приводятся результаты экспериментов по исследованию взаимодействия выхлопной струи со средой соответствующей данной высоте атмосферы и соответствующей этой высоте концентрации озона. Результаты представлены в безразмерном виде на рис. 16.

Представлена методика расчета разрушения озона в начальный период после прохождения ракеты-носителя.

Для оценки разрушения озона при прохождении ракетой-носителем данного слоя атмосферы от поверхности Земли до h достаточно знать ее калибр (миделево сечение). При этом счетная концентрация молекул определяется по формуле